CN102324742B - 可控变压器的动态潮流控制装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种可控变压器的动态潮流控制装置由可控变压器、功率单元、测量与控制模块、旁路开关、输入电压互感器、输出电压互感器和输出电流互感器构成，动态潮流的控制方法是利用迅速导通、关断的电力电子开关，控制可控变压器输入侧(原边)分接头的导通与关断，在可控变压器电力电子开关的脉宽调制信号中采取直流信号注入二倍频信号，通过改变脉宽调制信号中的直流信号幅值和二倍频信号的幅值与初始相位，从而改变可控变压器输出电压的相位、幅值，实现了有功功率和无功功率的调节，由于对可控变压器的分接头导通进行控制，从而实现对电力网的动态潮流进行调节控制，本发明具有成本低，动态潮流的控制可靠性高的特点。

Description

可控变压器的动态潮流控制装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及柔性输电技术领域，特别是一种可控变压器的动态潮流控制装置及其控制方法。

背景技术

现代电力系统以大机组、超高压、长距离、重负荷为特点，是一个典型的强非线性、高维、动态大系统。随着大型电力系统的互联以及各种新设备的使用，在使发电、输电更经济、高效的同时也增加了电力系统的规模和复杂性，再加上快速励磁系统的普遍使用和电力市场竞争机制的引入，电网运行在稳定极限边缘的可能性也大为增加。因此，电网运行的灵活性、潮流可控性以及电网稳定性成为越来越迫切需要解决的问题。另外，由于环境保护、土地使用等因素的限制，迫切需要利用现有的输电网络输送更多的电力，以便最大限度地降低运行成本，提高系统的运行与经济效益，增强竞争能力。但是，由于输电走廊的饱和及电网公司的商业化运作，依靠建设新输电线路来增加输送容量代价昂贵、将会变得越来越困难。

因此，21世纪的输电系统运行压力所产生的需求可以概括为以下3个方面：

(1)增大输电能力：由于用电的增加从而使得输送电能需求增大，另一方面线路建设缩减的局面使提高输电能力的要求更为突出。

(2)保持系统稳定：严重的电力系统事故会给广大供电区内的社会生活造成严重的损害，如交通中断、停水停电、通讯瘫痪、金融流通受到破坏、精密加工工艺过程受损、计算机信息丢失等，直接影响用户的正常用电。因此，如何在电力系统被迫更长距离输送更多电力的同时仍能保持系统稳定性，就成为调度运行人员的另一重要任务。

(3)优化系统运行：因运行条件变化和电力市场所决定的功率输送的变化次数快速增加，系统控制变得更为复杂，需要对整体系统的潮流进行优化。这种优化需要在越来越大的地区内综合考虑全局运行的情况。此外，电力市场要求系统通过一特定的“合同路径”去控制电力流向，要求电网对潮流控制有更高的驾驭能力，而这在交流输电系统中是很难做到的，因为其中每一“路径”的电力都是由其他所有输电线的电气特性决定的。

针对上述需求应运而生的柔性交流输电系统(Flexible Alternate CurrentTransmission System，FACTS)技术，从根本上改变了交流输电网过去基本只依靠机械型、慢速、间断及不精确的控制和优化技术措施的局面。FACTS装置同时或有选择性地控制传输线上的电压、阻抗和相角，实现有功和无功潮流控制，为交流输电网提供了快速、连续和精确的控制以及优化潮流的能力。在不改变系统发电模式和网络拓扑结构的前提下，可以利用FACTS装置来改善系统的稳定性，提高系统的输电能力，并在一定程度上缓解系统的阻塞状况。

目前的FACTS技术虽然具有以上许多优点，但是，也存在很大的局限性：FACTS装置工程造价高，推广应用困难；FACTS和电力设备及其他控制器之间存在不良作用；FACTS装置自身的损耗大；FACTS装置的复杂控制结构以及对通信设施等相应附属设备的要求，对电网的运行和控制提出了更为严格的要求；装置故障所带来的额外问题；串联接入引起的系统稳定性问题等等使其在电网中的应用受到很大的限制。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种可控变压器的动态潮流控制装置及其控制方法，提高电力系统的潮流调节、输电能力、系统稳定性、可靠性等，使我国电网真正成为坚强的智能电网。

本发明的技术解决方案如下：

一种可控变压器的动态潮流控制装置，其特征在于该装置构成包括：可控变压器、功率单元、测量与控制模块、旁路开关、输入电压互感器、输出电压互感器和输出电流互感器构成：

所述的可控变压器的原边包含主接头和正分接头负分接头；

所述的功率单元由第一组功率管、第二组功率管、滤波电感和滤波电容组成，该功率单元所述的第一组功率管和第二组功率管均由2个绝缘栅双极型晶体管反向串联构成，所述的第一组功率管和第二组功率管的一端分别接所述的可控变压器原边的正分接头和负分接头，所述的第一组功率管和第二组功率管的另一端接所述的滤波电感的一端，该滤波电感的另一端接所述的输入电源，所述的滤波电容接在所述的可控变压器原边的正分接头和负分接头之间，所述的第一组功率管和第二组功率管的控制端与所述的测量与控制模块的相应控制端相连；

所述的旁路开关连接在所述的可控变压器原边的主接头和输入电源之间；

所述的输入电压互感器的一侧与可控变压器原边输入电压主电路相连，电压信号输出端与所述的测量与控制模块的电压信号输入端口相连；

所述的输出电压互感器，一侧与可控变压器副边输出电压主电路相连，电压信号输出端与所述的测量与控制模块的电压信号输入端口相连；

所述的输出电流互感器，串接在可控变压器的输出主电路中，其电流信号输出端与所述的测量与控制模块的电流信号输入端口相连；

所述的测量与控制模块的控制信号输出端分别与所述的功率单元的所述的第一组功率管和第二组功率管的控制端及所述的旁路开关的控制端相连，该测量与控制模块与上位机相连。

所述的测量与控制模块是数字信号处理器、单片机或计算机。

所述的第一组功率管和第二组功率管分别是集成门极换向晶闸管、栅极导通晶闸管、金氧半场效晶体管或其他电力电子开关。

一种可控变压器的动态潮流控制装置进行动态潮流的控制方法，其特点在于该方法包括下列具体骤：

1)所述的测量与控制模块对测量与控制进行初始化，向旁路开关发出信号关断旁路开关，接收上位机给定的无功功率的给定值Q₀和有功功率的给定值P₀；

2)所述的测量与控制模块接收所述的输入电压互感器5、所述的输出电压互感器和所述的输出电流互感器分别输入的输入电压V_in、输出电压V_out、输出电流I、输出电压与输出电流的夹角β，接收远方电网电压V_电网2的信息和输电线路电抗值L：

V_电网2＝V₂sin(ω₀t+α)，其中V₂为其幅值，α为其相角；

按下列公式计算实测的有功功率P、无功功率Q：

$P=\frac{1}{\sqrt{2}}{V}_{\mathrm{out}}I\cos \mathrm{\β}$

$Q=\frac{1}{\sqrt{2}}{V}_{\mathrm{out}}I\sin \mathrm{\β};$

3)根据有功功率P₀和无功功率Q₀，依据下式，计算可控变压器的输出电压相角θ和输出电压幅值V_out：

$P_0=\frac{V_2{V}_{\mathrm{out}}}{{\mathrm{\ω}}_{0}L}\sin (\mathrm{\α}-\mathrm{\θ})$

$Q_0=\frac{V_2^2-V_2{V}_{\mathrm{out}}\cos (\mathrm{\α}-\mathrm{\θ})}{{\mathrm{\ω}}_{0}L},$

其中：L为输电线路的电抗值；

ω₀为50或60Hz所对应的角频率；

V₂是远方电网电压V_电网2的幅值；

4)计算脉宽调制占空比D：

①、根据可控变压器输入电压V_in，输出电压相角θ和幅值V_out，按下列公式计算绝缘栅双极型晶体管的脉宽调制信号中的直流信号系数K₀、二倍频信号系数K₂和初始相位

其中：V₁为可控变压器输入电压V_in的幅值，N为可控变压器分接头变比；

②、根据直流信号系数K₀、二倍频信号系数K₂及其初始相位

依据下式，计算脉宽调制占空比D：

5)根据脉宽调制占空比D，向绝缘栅双极型晶体管脉宽调制信号控制绝缘栅双极型晶体管的导通；

6)重复步骤2)至5)，根据所获得的脉宽调制占空比D，通过控制绝缘栅双极型晶体管的导通实现对电网的动态潮流的调节控制。

旁路开关，连接上述可控变压器的主抽头和输入电源，上述功率单元工作时，旁路开关关断，上述功率管退出工作时，旁路开关导通。

其功率与调制系数的控制原理推导如下：

IGBT脉宽调制信号D为：

上式中，0≤D≤1，K₀为直流信号幅值，K₂为二倍频信号幅值，ω₀为电网输入电压基频，

为二倍频信号初始相位角度；

设可控变压器输入电压V_in为：

V_in＝V₁sin(ω₀t)          (2)

上式中，V₁为可控变压器的峰值；

设可控变压器正负分接头变比分别为(1+N)和(1-N)，则可控变压器输出电压V_out为：

$V_{\mathrm{out}}=V_{\mathrm{in}}*(\frac{1-D}{1+N}+\frac{D}{1-N})---\left(3\right)$

于是，可控变压器输出电压V_out为：

上式中，等式右边第1项为输出电压的基频分量，其中，

因此，可控变压器输出电压基频分量

的幅值

初始相角θ与IGBT脉宽调制直流信号幅值、二倍频信号的幅值及其初始相位角度有关，其关系为：

因此，可控变压器输出电压基频分量

幅值

输出电压基频分量

的初始相角为

一般而言，可控变压器分接头变比N较小，0≤N≤0.15；而0≤K₀≤0.5，0≤K₂≤0.5，因此，输出电压基频分量

的初始相角主要取决于IGBT脉宽调制二倍频信号的幅值K₂及其初始相位角度

由于0≤N≤0.15，因此可忽略N平方项；于是

上式表明K₂对

影响较小，可控变压器输出电压基频分量幅值

主要取决于IGBT脉宽调制信号中直流信号幅值K₀；

假定电网1通过可控变压器与输电线路相连向电网2输电，电网1与电网2之间电抗为jωL，电网2母线端电压为

V_电网2＝V₂sin(ω₀t+α)       (8)

则可控变压器所在传输线路的有功功率P和无功功率Q与可控变压器输出电压的关系如下：

$P=\frac{V_2{V}_{\mathrm{outM}}^1}{\mathrm{\ωL}}\sin (\mathrm{\α}-\mathrm{\θ})---\left(9\right)$

$Q=\frac{V_2^2-V_2{V}_{\mathrm{outM}}^1\cos (\mathrm{\α}-\mathrm{\θ})}{\mathrm{\ωL}}---\left(10\right)$

上述式子中，有功功率、无功功率、电压等量都采用标么值计算，电压幅值V₂都在1.0附近。从(9)、(10)两式中可看出，有功功率P主要与可控变压器输出电压基频分量初始相角θ有关，而无功功率Q则主要与可控变压器输出电压基频分量幅值

有关；即，传输线路有功功率P主要与IGBT脉宽调制二倍频信号的幅值K₂及其初始相位角度有关，而无功功率Q则主要与IGBT脉宽调制信号中直流信号幅值K₀有关。

因此，通过对IGBT脉宽调制信号中二倍频信号幅值K₂与初始相位角度

和直流信号幅值K₀的调节实现了有功功率和无功功率的调节；由于对可控变压器的分接头导通进行控制，控制可控变压器分接头的功率管IGBT容量仅为可控变压器容量的一部分，因而，成本低，从而实现低成本、高可靠性的有功功率和无功功率的控制。

本发明提出的可控变压器的动态潮流控制方法是一种根据电网需求对可控变压器所在输电线路的有功功率和无功功率进行控制。通过IGBT控制可控变压器分接头的导通与关断，在IGBT的脉宽调制信号直流信号中注入二倍频信号，通过改变脉宽调制信号中的直流信号幅值和二倍频信号的幅值与初始相位，从而改变了可控变压器输出电压的相位、幅值。

本发明的技术效果和特点如下：

1.功率管只需对可控变压器分接头的导通进行控制，因而成本低，克服了已有FACTS装置高成本的问题；

2.平常可控变压器只能通过调节其分接头进行电压幅值的控制，本发明通过对功率管IGBT脉宽调制信号注入二倍频信号，从而实现了输入电压角度的偏移，实现了有功功率的控制；

3.所注入二倍频脉宽调制信号引起主电路产生三次谐波，谐波含量不高，也可根据需要加以滤除。

4.可控变压器分接头的功率管也可以是其它能快速关断、导通的开关。

附图说明

图1是本发明可控变压器的动态潮流控制示意图。

图2是本发明可控变压器的动态潮流控制装置的结构示意图。

图3是本发明动态潮流控制的算法流程图。

图4是本发明可控变压器的动态潮流相位控制仿真图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图2，图2是本发明可控变压器的动态潮流控制装置的结构示意图。由图可见，一种可控变压器的动态潮流控制装置，包括：可控变压器1、功率单元2、测量与控制模块3、旁路开关4、输入电压互感器5、输出电压互感器6和输出电流互感器7构成：

所述的可控变压器1的原边包含主接头12和正分接头13负分接头11；

所述的功率单元2由第一组功率管S₁、第二组功率管S₂、滤波电感L_f和滤波电容C_f组成，该功率单元2所述的第一组功率管S₁和第二组功率管S₂均由2个绝缘栅双极型晶体管反向串联构成，所述的第一组功率管S₁和第二组功率管S₂的一端分别接所述的可控变压器1原边的正分接头13和负分接头11，所述的第一组功率管S₁和第二组功率管S₂的另一端接所述的滤波电感L_f的一端，该滤波电感L_f的另一端接所述的输入电源，所述的滤波电容C_f接在所述的可控变压器1原边的正分接头13和负分接头11之间，所述的第一组功率管S₁和第二组功率管S₂的控制端与所述的测量与控制模块3的相应控制端相连；

所述的旁路开关4连接在所述的可控变压器1原边的主接头12和输入电源之间；

所述的输入电压互感器5的一侧与可控变压器原边输入电压主电路相连，电压信号输出端与所述的测量与控制模块3的电压信号输入端口相连；

所述的输出电压互感器6，一侧与可控变压器副边输出电压主电路相连，电压信号输出端与所述的测量与控制模块3的电压信号输入端口相连；

所述的输出电流互感器7，串接在可控变压器的输出主电路中，其电流信号输出端与所述的测量与控制模块3的电流信号输入端口相连；

所述的测量与控制模块3的控制信号输出端分别与所述的功率单元的所述的第一组功率管S₁和第二组功率管S₂的控制端及所述的旁路开关4的控制端相连，该测量与控制模块3与上位机相连。

所述的测量与控制模块3是数字信号处理器、单片机或计算机。

所述的第一组功率管S₁和第二组功率管S₂分别是集成门极换向晶闸管(IGCT)、栅极导通晶闸管(GTO)、金氧半场效晶体管(MOSFET)或其他电力电子开关。

对图1所示的系统，基于可控变压器的动态潮流控制工作流程如图3所示，利用上述可控变压器的动态潮流控制装置进行电网动态潮流控制方法，该方法包括下列具体骤：

1)所述的测量与控制模块3对测量与控制进行初始化，向旁路开关4发出信号关断旁路开关，接收上位机给定的无功功率的给定值Q₀和有功功率的给定值P₀；

2)所述的测量与控制模块3接收所述的输入电压互感器5、所述的输出电压互感器6和所述的输出电流互感器7分别输入的输入电压V_in、输出电压V_out、输出电流I、输出电压与输出电流的夹角β，接收远方电网电压V_电网2的信息和输电线路电抗值L：

V_电网2＝V₂sin(ω₀t+α)，其中V₂为其幅值，α为其相角；

按下列公式计算实测的有功功率P、无功功率Q：

$P=\frac{1}{\sqrt{2}}{V}_{\mathrm{out}}I\cos \mathrm{\β}$

$Q=\frac{1}{\sqrt{2}}{V}_{\mathrm{out}}I\sin \mathrm{\β};$

3)根据有功功率P₀和无功功率Q₀，依据下式，计算可控变压器的输出电压相角θ和输出电压幅值V_out：

$P_0=\frac{V_2{V}_{\mathrm{out}}}{{\mathrm{\ω}}_{0}L}\sin (\mathrm{\α}-\mathrm{\θ})$

$Q_0=\frac{V_2^2-V_2{V}_{\mathrm{out}}\cos (\mathrm{\α}-\mathrm{\θ})}{{\mathrm{\ω}}_{0}L},$

其中：L为输电线路的电抗值；

ω₀为50或60Hz所对应的角频率；

V₂是远方电网电压V_电网2的幅值；

4)计算脉宽调制占空比D：

①、根据可控变压器输入电压V_in，输出电压相角θ和幅值V_out，按下列公式计算绝缘栅双极型晶体管的脉宽调制信号中的直流信号系数K₀、二倍频信号系数K₂和初始相位

其中：V₁为可控变压器输入电压V_in的幅值，N为可控变压器分接头变比；

②、根据直流信号系数K₀、二倍频信号系数K₂及其初始相位

依据下式，计算脉宽调制占空比D：

5)根据脉宽调制占空比D，向绝缘栅双极型晶体管脉宽调制信号控制绝缘栅双极型晶体管的导通；

6)重复步骤2)至5)，根据所获得的脉宽调制占空比D，通过控制绝缘栅双极型晶体管的导通实现对电网的动态潮流的调节控制。

通过DSP控制器对电压、电流进行采样，计算传输线路的有功功率和无功功率，根据上位机给定的有功功率和无功功率值，根据式(9)和(10)计算可控变压器输出电压的初始相角和幅值，根据式(5)和(6)计算相应的IGBT脉宽调制信号中的直流分量K₀、二倍频信号幅值K₂与初始相位角度

从而推导出IGBT脉宽调制信号D。关断旁路开关，由IGBT脉宽调制信号D对IGBT功率管进行导通控制，使得可控变压器输出相应的带相位偏移的电压，功率管IGBT工作时产生的高频开关信号由滤波回路滤除。通过实测有功功率和无功功率与给定值的差异，对有功功率和无功功率进行闭环控制，调节IGBT脉宽调制信号D，使得实测有功功率和无功功率与给定值一致，从而对传输线路的潮流进行控制。

IGBT工作时由于其脉宽调制信号中包含二倍频信号，于是在传输线路中产生三次谐波，虽然谐波量不大，但也可以根据需要，加以滤除，从而使得可控变压器输出电压质量更高。

图4为N＝0.15，K₀＝K₂＝0.5，时的可控变压器输出电压仿真图，图中V_out1即为输出电压基波，V_in为输入电源电压，V_out3为输出电压所含三次谐波。从仿真图4中看出输出电压相移了4.25度，输出幅值增加了2.3％，且谐波含量不高。

退出运行时，关断功率管IGBT，导通旁路开关，于是动态潮流控制退出运行。

Claims (4)

1.一种可控变压器的动态潮流控制装置，其特征在于该装置包括可控变压器（1）、功率单元（2）、测量与控制模块（3）、旁路开关（4）、输入电压互感器(5)、输出电压互感器(6)和输出电流互感器(7)构成： 

所述的可控变压器（1）的原边包含主接头（12）和正分接头（13）负分接头（11）； 

所述的功率单元（2）由第一组功率管（S₁）、第二组功率管（S₂）、滤波电感（L_f）和滤波电容（C_f）组成，该功率单元（2）所述的第一组功率管（S₁）和第二组功率管（S₂）均由2个绝缘栅双极型晶体管反向串联构成，所述的第一组功率管（S₁）的一端接所述的可控变压器（1）原边的正分接头（13），第二组功率管（S₂）的一端接所述的可控变压器（1）原边的负分接头（11），所述的第一组功率管（S₁）和第二组功率管（S₂）的另一端接所述的滤波电感（L_f）的一端，该滤波电感（L_f）的另一端接输入电源，所述的滤波电容（C_f）接在所述的可控变压器（1）原边的正分接头（13）和负分接头（11）之间，所述的第一组功率管（S₁）和第二组功率管（S₂）的控制端与所述的测量与控制模块（3）的相应控制端相连； 

所述的旁路开关（4）连接在所述的可控变压器（1）原边的主接头（12）和输入电源之间； 

所述的输入电压互感器(5)的一侧与可控变压器原边输入电压主电路相连，电压信号输出端与所述的测量与控制模块（3）的电压信号输入端口相连； 

所述的输出电压互感器(6)，一侧与可控变压器副边输出电压主电路相连，电压信号输出端与所述的测量与控制模块（3）的电压信号输入端口相连； 

所述的输出电流互感器(7)，串接在可控变压器的输出主电路中，其电流信号输出端与所述的测量与控制模块（3）的电流信号输入端口相连； 

所述的测量与控制模块（3）的控制信号输出端分别与所述的功率单元的所述的第一组功率管（S₁）和第二组功率管（S₂）的控制端及所述的旁路开关（4）的控制端相连，该测量与控制模块（3）与上位机相连。 

2.根据权利要求1所述的可控变压器的动态潮流控制装置，其特征在于所述的测量与控制模块（3）是数字信号处理器、单片机或计算机。 

3.根据权利要求1所述的可控变压器的动态潮流控制装置，其特征在于所述的第一组功率管（S₁）是集成门极换向晶闸管、栅极导通晶闸管或金氧半场效晶体管；所述的第二组功率管（S₂）是集成门极换向晶闸管、栅极导通晶闸管或金氧半场效晶体管。 

4.利用权利要求1所述的可控变压器的动态潮流控制装置进行电网动态潮流控制方法，其特征在于该方法包括下列具体步骤： 

1）所述的测量与控制模块（3）对测量与控制进行初始化，向所述的旁路开关（4）发出信号关断所述的旁路开关，接收上位机给定的无功功率的给定值Q₀和有功功率的给定值P₀； 

2）所述的测量与控制模块（3）接收所述的输入电压互感器(5)、所述的输出电压互感器(6)和所述的输出电流互感器(7)分别输入的输入电压、输出电压、输出电流、输出电压与输出电流的夹角β，设输入电压幅值为V_in，输出电压幅值为V_out，输出电流幅值为I，接收远方电网电压V_电网2的信息和输电线路电抗值L： 

V_电网2＝V₂sin(ω₀t＋α),其中V₂为其幅值，α为其相角； 

按下列公式计算实测的有功功率P、无功功率Q： 

3）根据有功功率P₀和无功功率Q₀，依据下式，计算所述的可控变压器的输出电压相角θ和输出电压幅值V_out： 

其中：L为输电线路的电抗值； 

ω₀为50或60Hz所对应的角频率； 

V₂是远方电网电压V_电网2的幅值； 

4）计算脉宽调制占空比D： 

①、根据所述的可控变压器输入电压幅值V_in，输出电压相角θ和输出电压幅值V_out，按下列公式计算绝缘栅双极型晶体管的脉宽调制信号中的直流信号系数K₀、二倍频信号系数K₂和初始相位

其中：N为可控变压器分接头变比； 

②、根据直流信号系数K₀、二倍频信号系数K₂及其初始相位

依据下式，计算脉宽调制占空比D： 

5）根据脉宽调制占空比D，向绝缘栅双极型晶体管脉宽调制信号控制绝缘栅双极型晶体管的导通； 

6）重复步骤2）至5），根据所获得的脉宽调制占空比D，通过控制绝缘栅双极型晶体管的导通实现对电网的动态潮流的调节控制。 

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